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基因组学(复习)

王前飞:(1)为什么要研究表观遗传学?答:表观遗传学主要通过DNA 的甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA 调控等方式控制基因表达。

表观遗传学是近几年兴起的而且发展迅速的一个研究遗传的分支学科,其研究和应用不仅对基因表达、调控、遗传有重要作用,而且在肿瘤、免疫等许多疾病的发生和防治以及干细胞定向分化研究、基因芯片中亦具有十分重要的意义。

表观遗传学补充了“中心法则”忽略的两个问题,即哪些因素决定了基因的正常转录和翻译以及核酸并不是存储遗传信息的唯一载体;在分子水平上,表观遗传学解释了DNA序列所不能解释的诸多奇怪的现象。

如: 同一等位基因可因亲源性别不同而产生不同的基因印记疾病,疾病严重程度也可因亲源性别而异。

表观遗传学信息还可直接与药物、饮食、生活习惯和环境因素等联系起来,营养状态能够通过改变表观遗传以导致癌症发生,尤其是维生素和必需氨基酸。

此外,表观遗传学信息的改变,对包括人体在内的哺乳动物基因组有广泛而重要的效应,如转录抑制、基因组印记、细胞凋亡、染色体灭活等。

DNA 甲基化模式的改变,尤其是某些抑癌基因局部甲基化水平的异常增加,在肿瘤的发生和发展过程中起到了不容忽视的作用。

研究发现,肿瘤细胞DNA 存在广泛的低甲基化和局部区域的高甲基化共存现象,以及总的甲基化能力增高,这3个特征各以不同的机制共同参与甲基化在肿瘤发生、发展中的作用。

如胃癌、结肠癌、乳腺癌、肺癌、胰腺癌等众多恶性肿瘤都不同程度地存在一个或多个肿瘤抑制基因CpG 岛甲基化。

而表观遗传学改变在本质上的可逆性,又为肿瘤的防治提供了新的策略。

所以,随着表观遗传学研究的深入,肯定会对人类生长发育、肿瘤发生以及遗传病的发病机制及其防治做出新的贡献,也必将在其他领域中展示其不可估量的作用和广阔的前景。

(2)表观遗传学涉及到哪些方面?答:表观遗传学的研究内容主要包括:DNA甲基化、组蛋白的末端修饰和变异体、DNAaseⅠ高敏感位点、非编码RNA、转录因子及其辅助因子、顺式调控元件和基因组印记等。

(3)什么因素会影响基因表达水平?答:基因选择性转录表达的调控( DNA甲基化,基因印记,组蛋白共价修饰,染色质重塑) 基因转录后的调控(基因组中非编码RNA,微小RNA(miRNA),反义RNA、内含子、核糖开关等)1.转录水平的调控:包括DNA转录成RNA时的是否转录及转录频率的调控,DNA 的序列决定了DNA的空间构型,DNA的空间构型决定了转录因子是否可以顺利的结合到DNA的调控序列上,比如结合到TATA等序列上。

2.翻译水平的调控:翻译水平的调控又可以分成翻译前的调控和翻译后的调控。

a、翻译前的调控主要是RNA编辑修饰。

b、翻译后调控主要是蛋白的修饰,蛋白修饰后可以成为有功能的蛋白或者有隐藏功能的蛋白。

在真核和原核细胞中,从基因表达到蛋白质合成,其间有许多地方受到调控,这些调控点主要可以分成两个部分:转录调控(transcription control)和转录后调控(posttranscription control)。

转录调控是指以DNA为模板合成RNA的调控,所有的细胞都具有大量序列特异的DNA结合蛋白,这些蛋白能准确地识别并结合到特异的DNA序列,在转录水平上起着开关的作用。

转录后调控是指在RNA 转录后对基因表达的调控,转录后调控主要包括:①RNA加工调控,它仅在真核细胞中发生,由它控制初级转录物如何及何时进行剪接形成可用的mRNA,例如,在不同类型的细胞中从同一基因产生的转录物可以通过选择内含子来产生不同的mRNA;②翻译调控,通过翻译调控确立哪些mRNA翻译成蛋白质及什么时候翻译,例如通过特异的mRNA结合蛋白可以抑制翻译,或者通过位于mRNA末端的特异核苷酸序列加速核糖体的结合,从而促进翻译;③mRNA降解调控,这可影响到某些mRNA种类的稳定性;④蛋白质活性调控,可选择性地使某些特异的蛋白分子激活、失活、修改、或区域化,从而影响到蛋白质怎样或何时起作用,例如,某些蛋白质只在某个特殊的发育阶段的某些细胞中起作用,而这些蛋白质对其它的细胞有很大的影响,因而在这些细胞中必须将其失活或激活后立即将其定位到特殊的细胞结构中,否则就会引起不正常的发育。

(4)有哪些研究方法?它们各有什么特点?meDNA analysisDNase I mappingMNase mappingAlternative Splicing & Non-coding RNA染色质免疫共沉淀技术(ChIP)真核生物的基因组DNA以染色质的形式存在。

因此,研究蛋白质与DNA在染色质环境下的相互作用是阐明真核生物基因表达机制的基本途径。

染色质免疫沉淀技术(chromatin immunoprecipitation assay, CHIP)是目前唯一研究体内DNA与蛋白质相互作用的方法。

它的基本原理是在活细胞状态下固定蛋白质-DNA复合物,并将其随机切断为一定长度范围内的染色质小片段,然后通过免疫学方法沉淀此复合体,特异性地富集目的蛋白结合的DNA片段,通过对目的片断的纯化与检测,从而获得蛋白质与DNA相互作用的信息。

CHIP不仅可以检测体内反式因子与DNA 的动态作用,还可以用来研究组蛋白的各种共价修饰与基因表达的关系。

而且,CHIP与其他方法的结合,扩大了其应用范围:CHIP与基因芯片相结合建立的CHIP-on-chip方法已广泛用于特定反式因子靶基因的高通量筛选;CHIP与体内足迹法相结合,用于寻找反式因子的体内结合位点;RNA-CHIP用于研究RNA在基因表达调控中的作用。

由此可见,随着CHIP的进一步完善,它必将会在基因表达调控研究中发挥越来越重要的作用●染色体构象捕捉技术(3C),首先将标本用甲醛处理,使染色体交互的部分紧密的连接在一起,然后用特殊的方法是交联的两段序列形成环状,最后用定量PCR或者芯片检测某两段序列发生交联的频率。

●甲基化特异性PCR(MSP)原理:MSP是一种简单、特异、敏感的检测单基因甲基化的方式。

其基本原理是用亚硫酸氢钠处理基因组DNA,未甲基化的胞嘧啶变成尿嘧啶,而甲基化的胞嘧啶不变,然后用3对特异性引物对所测基因的同一核苷酸序列进行扩增。

扩增产物用DNA琼脂糖凝胶电泳,凝胶扫描观察分析结果。

●凝胶迁移或电泳迁移率实验(EMSA-electrophoretic mobility shift assay)是一种研究DNA结合蛋白和其相关的DNA结合序列相互作用的技术,可用于定性和定量分析。

这一技术最初用于研究DNA结合蛋白,目前已用于研究RNA结合蛋白和特定的RNA序列的相互作用。

通常将纯化的蛋白和细胞粗提液和32P同位素标记的DNA或RNA探针一同保温,在非变性的聚丙烯凝胶电泳上,分离复合物和非结合的探针。

DNA-复合物或RNA-复合物比非结合的探针移动得慢。

同位素标记的探针依研究的结合蛋白的不同,可是双链或者是单链。

当检测如转录调控因子一类的DNA结合蛋白,可用纯化蛋白,部分纯化蛋白,或核细胞抽提液。

在检测RNA结合蛋白时,依据目的RNA结合蛋白的位置,可用纯化或部分纯化的蛋白,也可用核或胞质细胞抽提液。

竞争实验中采用含蛋白结合序列的DNA或RNA片段和寡核苷酸片段(特异),和其它非相关的片段(非特异),来确定DNA或RNA结合蛋白的特异性。

在竞争的特异和非特异片段的存在下,依据复合物的特点和强度来确定特异结合。

●荧光原位杂交(FISH):,以荧光标记取代同位素标记而形成的一种新的原位杂交方法,探针首先与某种介导分子(reporter molecule)结合,杂交后再通过免疫细胞化学过程连接上荧光染料.FISH的基本原理是将DNA(或RNA)探针用特殊的核苷酸分子标记,然后将探针直接杂交到染色体或DNA纤维切片上,再用与荧光素分子偶联的单克隆抗体与探针分子特异性结合来检测DNA序列在染色体或DNA纤维切片上的定性、定位、相对定量分析.FISH具有安全、快速、灵敏度高、探针能长期保存、能同时显示多种颜色等优点,不但能显示中期分裂相,还能显示于间期核.同时在荧光原位杂交基础上又发展了多彩色荧光原位杂交技术和染色质纤维荧光原位杂交技术.肖景发:简述药物基因组学的定义以及生物信息学在药物发现过程中的主要应用。

答:药物基因学(1):是研究遗传因素对药物效应的影响 ,确定药物作用的靶点 ,即从表型至基因型的药物反应的个体多样性的研究。

它将基因的多态性与药物效应个体多样性紧密联系在一起。

通过它的研究 ,将更科学地评价各种药物的疗效和毒性 ,同时也对不同患者根据DNA多态性的差别选择高效和低毒的药物加以治疗。

药物基因学(2):综合药理学和遗传学、研究个体基因遗传因素如何影响机体对药物反应的交叉学科。

主要研究基因结构多态性与不同药物反应之间关系,解释由于个体之间差异所表现出药物的不同治疗效果,趋向于用药个性化。

用药个性化将产生最大的效果和安全性。

生物信息学在药物发现过程中的主要应用:答:主要体现在以下几个方面:1.靶点的确定;生物信息学可以帮助人们在药物开发过程中更早、更快地找到更佳的药物作用靶点减少研发时间和所需临床试验的数量(如抗生素类药物理想的作用靶点应具有为病原体所特有、在病原体中高度保守在人体中不存在等特点)生物信息学技术就可以通过将病原体基因或基因序列与人类基因及其基因序列进行比较分析筛选出该类药物理想的作用靶点。

2.靶点的选择;通过生物信息学的帮助能更好地在靶点发现的早期阶段进行位点的筛选和确定。

除此之外它还在以下三个方面有助于对靶点的选择:●对靶点的定性如蛋白质家族的分类和亚类;●对靶点的功能等特性的理解如靶点在更大的生化或细胞环境中的生物学行为;●对靶点的利用及其对有关内容的研究(如预测针对靶点的药物在病人体内的摄取或重复摄取解毒及其以此基因为基础的变异);3.表达序列标签;表达序列标签来自随机选取的克隆的末端序列,简单地说,一个EST就是对应于某一种mRNA的一个cDNA克隆的一段序列 ,一般长度大于15Ob的 EST在同源查找和基因作图中的作用较大。

4.基因组序列;生物信息学在作图和序列数据处理方面为破译人类基因组的全部 10万个左右基因提供了主要的支持。

5.基因多态性;作为基因组的标志之一SNPs与疾病和药效的变化有很大关系。

在人类基因组中估计有300到 1000万个SNPs。

对于如此巨大的数目的SNP只有将生物信息学手段和计算机自动识别方法相结合并充分利用 DNA信息数据库才能简便有效价廉地发掘出具有应用价值的SNPs。

6.基因表达;基因表达的组织定位是靶点确立中十分重要的一个方面。

基因组研究的启动提供了大量的可作为研究目标的药物潜在作用靶点,而了解基因在何时何处表达对认识基因的功能将有十分重要的意义。

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